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Teilchenphysik: Top-Quark entsteht auch einzeln

Das Top-Quark – das schwerste der sechs bekannten Quarks – kann nicht nur, wie bislang beobachtet, in Paaren erzeugt werden, sondern auch einzeln. Zwei Forscherkollaborationen am Fermilab in den USA fanden nun unabhängig voneinander eindeutige Beweise für diesen Prozess. Ihr Ergebnis deutet darauf hin, dass tatsächlich nur drei Quarkgenerationen existieren.

Detektor | Der 6000 Tonnen schwere Partikeldetektor des Tevatron analysiert die Teilchen, die während der Proton-Antiproton-Kollisionen entstehen.
In beiden Fällen brachten die über 1000 beteiligten Wissenschaftler im Teilchenbeschleuniger Tevatron Protonen und Antiprotonen zur Kollision. Dabei zeigten sich sowohl im CDF- als auch im DZero-Detektor die verräterischen Top-Quark-Signaturen. Bei insgesamt 20 Milliarden Partikelkollisionen entstehe im Mittel nur ein einziges Mal der gesuchte Zerfall, berichten die Forscher. Zudem würden andere, viel häufiger auftretende Prozesse zum Verwechseln ähnliche Signaturen in den Daten hinterlassen, was eine eindeutige Identifizierung zusätzlich erschwere.

Mit Hilfe von Computermodellen und statistischen Analysen untersuchten die Wissenschaftler mehrere tausend verdächtige Ereignisse und fanden einige hundert Kollisionen, in denen tatsächlich ein separates Top-Quark entstanden war. Bereits 2007 hatten die Forscher die ersten Beweise für ein solches Teilchen verkündet. Seither hat sich die Anzahl der durchgeführten Kollisionen mehr als verdoppelt und auch die Analysetechnik wurde feiner. Auf diese Weise erzielten die Wissenschaftler eine statistische Signifikanz von mehr als fünf Standardabweichungen. Die Wahrscheinlichkeit, dass andere Prozesse die Treffersignale vorgetäuscht haben, liege nun bei gerade einmal eins zu vier Millionen, verdeutlichen sie.

Spuren im Detektor | Diese Spuren hinterlässt der gesuchte Zerfall eines einzelnen Top-Quarks. Dabei entstehen ein Neutrino sowie ein Elektron. Der rote Pfeil zeigt die Flugrichtung des Neutrinos und die blaue Linie die des Elektrons.
Das Tevatron wird bis zum Arbeitsbeginn am LHC der stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt sein. 1995 wurde dort bereits das Top-Quark entdeckt, als es zusammen mit seinem Antiteilchen entstand. Bei diesem Prozess ist ausschließlich die starke Wechselwirkung beteiligt. Laut dem Standardmodell der Teilchenphysik sollte das Quark aber auch einzeln unter Wirkung der elektroschwachen Wechselwirkung erzeugt werden können – allerdings seltener. Am Large Hadron Collider bei Genf dürften die allein auftretenden Top-Quarks dann in deutlich höherer Zahl beobachtet werden.

Die Ergebnisse vom Tevatron könnten bereits jetzt schon zur Auffindung des Higgs-Teilchens beitragen, so die Forscher. Denn auf Grundlage der neuen Daten kann die Masse des "Gottesteilchen" und damit der zu durchsuchende Energiebereich weiter eingegrenzt werden. (mp)

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